Netzspannung, Erdung und Gehäuse

Einführend möchte ich ein paar Grundlagen beschreiben, die uns für spätere Projekte nützlich sein werden und gleichzeitig der Betriebssicherheit dienen. Für fast alle Elektronik-Projekte entnehmen wir aus dem Stromnetz Wechselspannung (in Deutschland von 230V) und "transformieren" sie in einem Netzteil zu Gleichspannung, mit der wir unsere Schaltungen betreiben. Wenn wir uns also an den Physik-Unterricht erinnern und eine Steckdose betrachten, so liegt dort die Wechselspannung von 230V an Phase L (schwarz oder braun) sowie Null-Leiter N (blau) an.

Ferner befinden sich in der Steckdose Schutzkontakte, die meist im Keller des Hauses geerdet (also mit dem Erdboden verbunden) sind. Aufgabe der Schutzkontakte ist es, eine sichere Verbindung von elektrischen Anlagen und Geräten zum Erdreich herzustellen, damit bei fehlerhafter Gerätefunktion das Auftreten von gefährlichen Berührungsspannungen vermieden wird.

Man stelle sich folgendes Szenario vor: In einem Gerät mit Blechgehäuse löst sich das Kabel, an dem die Phase der Wechselspannung anliegt. Dieses Kabel legt sich mit der Kontaktseite an das Blechgehäuse, so dass versehentlich an dem Gehäuse Wechselspannung anliegt. Berührt man nun dieses Blechgehäuse, so wird die anliegende Wechselspannung durch den Körper fließen, man bekommt also umgangssprachlich einen Schlag, der bei 230V lebensgefährlich sein kann. Liegt nun im selben Szenario gleichzeitig der Schutzkontakt PE über das gelb/grüne Kabel am Gehäuse an, wird sich die Spannung den Weg des geringeren Widerstandes suchen - sie wird über das Kupferkabel des gelb/grünen Schutzkontaktleiters statt durch den Körper in die Erde abfließen - man bekommt keinen Schlag.

Die Erdung des Metallgehäuses ist somit eine der wichtigsten Maßnahmen, um den ungefährlichen Betrieb eines elektrischen Gerätes sicherzustellen. Der Schutzkontakt ist daher immer mit dem Metallgehäuse des Gerätes zu verbinden, bevor die Phase innerhalb des Gerätes angeschlossen / verlegt wird!

Praktische Umsetzung:

Die Wechselspannung wird über ein 230V Kabel, an dem sich an der einen Seite ein Schutzkontaktstecker (Schuko-Stecker) und an der anderen Seite ein Kaltgeräte-Stecker befindet, über eine Kaltgeräte-Buchse mit oben abgebildeter Belegung in das Gehäuse geführt: Bevor innerhalb des Gehäuses weitere elektrische Verbindungen hergestellt werden, wird der Schutzkontakt mit dem Gehäuse verbunden. Zudem ist sicherzustellen, dass alle Gehäuseteile - also auch Deckel, Boden, Frontplatte etc. elektrische Verbindung zum Schutzkontakt haben. Bei lackierten Gehäusen kann dies über Abschleifen der Beschichtung an den Verschraubungen sichergestellt werden. Alternativ können alle einzelnen Gehäuseteile über separate Verkabelungen zum Schutzkontakt geführt werden.

Die erweiterte Darstellung der obigen Abbildung zeigt noch den Anschluss eines Trafos unter Einbindung eines Schalters sowie einer primärseitigen Absicherung:

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Einfaches Netzteil

Nachfolgend ist die Schaltung eines einfachen Netzteils abgebildet. Mit wenigen Bauteilen lässt sich sehr schnell aus einer Netzspannung/Wechselspannung von 230V eine Gleichspannung von beispielsweise 12V generieren. Dabei wird über den Trafo TR1 die Netzspannung von 230V in eine deutlich geringere Wechselspannung von beispielsweise 18V transformiert. Über die 4 Dioden 1N4007 erfolgt in Verbindung mit den Kondensatoren C1 und C2 die Gleichrichtung der Wechselspannung. Über den Festspannungsregler LM78XX wird die gewünschte Gleichspannung eingestellt und stabilisiert. Das"XX" in der Typenbezeichnung des Festspannungsreglers steht für die Höhe der zu erzielenden Spannung. Möchte man eine 12V Spannung erzielen, ist der Festspannungsregler 7812 zu verbauen. Welche Spannung der Trafo in Abhängigkeit vom Festspannungsregler sekundärspannungsseitig zu liefern hat, kann dem Datenblatt des jeweiligen Festspannungsreglers entnommen werden. Die dem Festspannungsregler nachgeschalteten Kondensatoren C3 und C4 dienen der Aussiebung von Brummspannungen - also noch verbliebenen Wechselspannungsanteilen. An DC Out liegt dann eine saubere Gleichspannung von beispielsweise +12V an. GND wird umgangssprachlich als Minuspol bezeichnet. Da wir später auch mit negativen Spannungen arbeiten wollen, ist diese Bezeichnung jedoch irreführend. Wir sprechen daher besser von der Masse oder 0V. Um 0V einen Bezug zu geben, wird dieser beim Einbau in ein Gehäuse geerdet, d. h. mit dem Schutzkontakt des Netzkabels verbunden. Zwischen positiver Spannung und 0V lässt sich nun die gewünschte Schaltung betreiben.

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Netzteil mit verschiedenen Spannungen

Oftmals werden im Audiobau jedoch komplexere und flexible Netzteile benötigt. Kommen in den Audioschaltungen IC's zum Einsatz, sind symmetrische Spannungen (beispielsweise +18V und -18V) notwendig. Zum Betrieb von LED's und Relais sowie der Speisung von Mikrofonen sind wiederum andere Spannungen notwendig. Praktisch sind Netzteile mit 3 bis 5 Ausgangsspannungen, bei denen sich die benötigten Spannungen flexibel mittels Potentiometer oder Festwiderstand einstellen lassen. Solche Netzteile sind besonders flexibel einsetzbar. Dabei werden die Spannungen meist um die Festspannungsregler LM317 bzw. LM337 aufgebaut. Ich möchte an dieser Stelle keine eigenen Schaltungen vorstellen und verweise stattdessen auf die Schaltungen von JLM Audio, die ich selbst nutze und für meine Zwecke abgewandelt nachgebaut habe. Die Schaltpläne sind hier zu finden:

JLM Audio 3 Rail Netzteil
JLM Audio 5 Rail Netzteil

Betrachten wir die Schaltung für das JLM Audio 3 Rail Netzteil: Je nach benötigten Spannung und Stromstärke ist der entsprechende Trafo zu wählen. Im unteren Teil der Schaltung wird der vom Trafo gelieferte Wechselstrom über die Dioden D1-D4 und die Kondensatoren C5-C8 gleichgerichtet. LM317 und LM337 stabilisieren je eine positive und eine negative Spannung, wobei diese über die beiden Potis RV2 und RV3 eingestellt werden kann. C11 bis C14 dienen der nochmaligen Siebung der Ausgangs-Gleichspannung.

Im oberen Teil der Schaltung lässt sich zusätzlich eine 48V-Spannung generieren, die sich beispielsweise als Phantom-Speisung für Mikrofone nutzen lässt. Dazu wird am Trafo nochmals parallel die Wechselspannung abgegriffen und über die Kondensatoren C1 und C2 weitergeführt. Neben der Höhe der Wechselspannung, die der Trafo liefert, ist der Jumper auf Doubler oder Trippler zu setzen. Damit wird die Eingangsspannung der Schaltung im Rahmen der Gleichrichtung verdoppelt oder verdreifacht. Danach folgt wie unten die Stabilisierung und Siebung der Gleichspannung.

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Ramped Phantom Power (+48V)

Die Phantom Power Speisung ist in Vorbereitung eines Mikrofon-Vorverstärker-Projektes entstanden, bei dem vier Siemens V72 Vorverstärker in ein Rack zu integrieren waren. Ziel war es, diesem Rack ein 48V Speisegerät für Kondensator-Mikrofone zu spendieren. Mit Blick auf das Übertragungsverhältnis der Eingangstrafos war die Schaltung so zu konzipieren, dass sich die Speisespannung beim Ein- und Ausschalten innerhalb einiger Sekunden langsam auf und abbaut. Neudeutsch spricht man von einer so genannten Ramped-Phantom-Power-Circuit. Dieses Feature soll Schäden an den Eingangstrafos der betagten Vorverstärker vorbeugen, die durch Spannungsspitzen beim Einschalten entstehen könnten. Lästige Knackgeräusche beim Einschalten der Speisespannung werden gleichzeitig wirksam vermieden.

Nachfolgend ist das Schaltbild mit einem Speisespannungsausgang dargestellt:

Der Ringkerntrafo V1 transformiert die Netzspannung von 230V (Wechselspannung - AC) durch Induktion in 2 x 12V (AC). Durch Verbinden der beiden Sekundärkreise erhält man also 24V Wechselspannung (ohne Last dürften rund 26V anliegen). Ringkerntrafos eignen sich besonders gut für Audioanwendungen, da sie aufgrund eines geringeren Streufeldes umliegende Schaltungen und Signalteile weniger stören. Sie lassen sich zudem sehr unkompliziert installieren, brauchen allerdings ein wenig mehr Platz als andere Trafos.

Bei den beiden Dioden D1 und D2 in Verbindung mit den Kondensatoren C3 und C4 handelt es sich um eine klassische Schaltung zur Spannungsverdopplung, auch als Zweipuls-Verdopplerschaltung nach DIN 41761, Delon Schaltung oder Grainacher-Schaltung bekannt. Die Schaltung besteht aus zwei Einweg-Gleichrichterschaltungen (Dioden), denen jeweils ein Kondensator als Last nachgeschaltet ist. Die Gleichrichterdiode D1 erzeugt eine Gleichspannung aus der positiven Halbwelle der Eingangswechselspannung, die Gleichrichterdiode D2 aus der negativen Halbwelle. Die Gleichrichterdioden D1 und D2 müssen dabei eine Sperrspannung vom doppelten Scheitelwert der Eingangswechselspannung vertragen können. Die beiden Lastkondensatoren werden abwechselnd fast auf den Scheitelwert der Wechselspannung aufgeladen. Durch ihre Zusammenschaltung entsteht ein doppelter Scheitelwert. Am Ausgang der Schaltung liegt insofern eine Gleichspannung an, die im unbelasteten Zustand ungefähr den doppelten Scheitelwert hat.

Wem das jetzt zu kompliziert war, der muss einfach wissen, dass an den Punkten A und B nun eine Spannung von ca. 72 V (DC) (Gleichspannung) anliegt. Die von uns gewünschte Zielspannung liegt allerdings bei 48 V, der wir uns irgendwie annähern müssen.

Hierzu dienen die Zener-Dioden. Schaltet man zwei oder mehrere Z-Dioden in Reihe, kann man sehr einfach eine gewünschte Spannung einstellen. D3 und D4 sind jeweils für 24V ausgelegt, in Reihe geschaltet wird somit eine Spannung von rund 48V realisiert. Bei Schwankungen des Laststroms kann die Zener-Spannung allerdings schwanken. Daher kommt zusätzlich der Transistor Q4 in Spiel, der die Funktion übernimmt, die Zenerspannung zu stabilisieren. Die Hauptaufgabe von R1 besteht darin, den Strom dergestalt zu begrenzen, dass die Zener-Dioden nicht zerstört werden. Die Zener-Dioden sollten einer Leistung von 1 W standhalten.

An den Messpunkten C und D liegen nun ca. 48V an. Es müssen nicht genau 48 V sein. Die DIN - Vorschrift schreibt für Phantom - Speisespannungen einen Bereich von +/- 3 V vor, der allerdings einzuhalten ist.

An C und D können grundsätzlich weitere Stromkreise bzw. Abnehmer parallel geschaltet werden, allerdings sollte man dabei die maximale Stromstärke des Trafos und dessen Leistung nicht aus den Augen verlieren. Bei übermäßiger Last würde der Trafo durchbrennen. Wieviel Last die Schaltung an sich bis zur Zerstörungsgrenze aushält, habe ich allerdings verständlicher Weise bisher nicht getestet.

Als weitere Elemente der Schaltung habe ich als erstes eine LED zur Statusanzeige des Netzteils in die Schaltung integriert. Dafür wurde eine LED mit eingebautem Vorwiderstand und Streulinse für den Spannungsbereich 48V verwendet (Multi - Look - LED Ba9S), da sich diese wunderbar in die Pilot - Light Fassung einsetzen lässt, die ich für das Racking-Projekt verwenden möchte (Stromaufnahme ca. 20mA). Alternativ ist auch der Einbau einer normalen LED mit entsprechendem Vorwiderstand (siehe R2 und X1 für low current LED mit einer Stromaufnahme von 4 mA) möglich. Der Widerstand sollte von der Leistung her so gewählt werden, dass die maximal zulässige Verlustleistung des Widerstands nicht überschritten wird, da der Widerstand und in Folge auch die LED sonst zerstört werden könnten. Die Verlustleistung wird mit der Formel P = U * I berechnet.

Der nach der Status-LED folgende zweite Teil der Schaltung (R3, R4, J1, Q2, Q3, R2, X1, D6, C1) ist für das langsame An- bzw. Abschwellen der Spannung beim Ein- und Ausschalten über J1 verantwortlich. Möchte man also vier Mikrofone speisen, schaltet man einfach drei weitere Kreise (R3, R4, J1, Q2, Q3, R2, X1, D6, C1) an den Punkten A,B, C und D parallel. Das schöne an dieser Konzeption ist, dass alle Einzelkreise unabhängig voneinander funktionieren.

Da ich - wie bereits oben beschrieben - zwei Geräte mit dem Netzteil speisen möchte, habe ich mich beim Aufbau der Schaltung dafür entschieden, den Teil der Schaltung bis zu den Punkten C und D auf eine Platine zu bringen. Den Teil der Schaltung, der für das langsame Ansteigen der Spannung zuständig ist, kann somit je nach Bedarf auf weitere Platinen verteilt werden.

Hier einige Bilder des Prototypen, zunächst die Platine 1 bis zu den Punkten C und D des Schaltplans:

J - Spannungsausgang Punkte A und B (zur Platine 2)
K - Eingang Wechselstrom (vom Sekundärkreis Trafo)
L - Spannungsausgang Punkte C und D (zur Status - LED und zur Platine 2)

Hier nun Platine 2 mit vier Speisekreisen:

E - Spannungseingang (von den Punkten A und B der Platine 1)
F - Ausgänge zu den Schaltern J
G - die ersten 2 Pins: Spannungseingang (von den Punkten C und D der Platine 1)
G - die restlichen 4 Pins: Eingänge von den Schaltern J
H - Ausgänge zu den Status LED'en X
I - Ausgänge zur Speisung der Mikrofone

Wie werden nun aber die einzelnen Speisekreise an die Mikrofoneingänge angeschlossen? Dies soll folgende Skizze verdeutlichen:

Zunächst wird der Minus - Pol der Spannungsversorgung (korrekter Weise als 0V zu bezeichnen) mit Pin 1 der XLR - Buchse verbunden. Damit liegt der Minus Pol am Kabelschirm des Mikrofonkabels an. Der Plus - Pol der Spannungsversorgung (+48V) wird über zwei 6,8 kOhm - Metallfilm - Widerstände mit einem Toleranzwert von möglichst 0,1% mit den Pin's 2 und 3 verbunden. Das ist schon alles. Oftmals sieht man auch noch Schaltungsvarianten bei denen der Minus - Pol über einen Kondensator (z. B. 68 uF, 63 V) mit Pin 1 verbunden wird, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich und sei daher jedem freigestellt.

Nachtrag vom 09.12.2008: Nachdem der oben abgebildete Prototyp auch nach längerer Testphase seinen Dienst hervorragend verrichtet, habe ich eine einfache einseitige Platine entworfen und fertigen lassen. Nachfolgend daher noch zwei Bilder von der Hauptplatine (ohne Speisekreise):

Nachtrag vom 23.03.2021: 2011 habe ich noch eine professionelle Platine der Schaltung für 8 Speisekreise entworfen, die nachfolgend abgebildet ist. Diesen Aufwand muss man jedoch nicht betreiben, schon gar nicht, wenn vielleicht nur ein Netzteil für ein einzelnes Projekt benötigt wird. Noch immer werkelt der gelochrasterte und handverdrahtete Prototyp der Schaltung zuverlässig in meinem Rack für vier V672-Preamps.

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Relais und LED's

RELAIS

Beim Bau von Preamps und anderen Geräten kommt es oft auf möglichst kurze Signalwege im Gerät selbst an, um störende Einstreuungen zu vermeiden. Verschiedene Schaltfunktionen sind daher möglichst eng beieinander auf einer Platine zu vereinen. Hierzu werden Signal-Relais eingesetzt, mit denen sich die Schaltfunktionen von der Frontplatte des Gerätes aus kabelgebunden "fernsteuern" lassen.

Beigefügt ist eine typische Anwendung zu sehen, die ich dem Schaltplan eines Preamps entnommen habe: Die Schaltfunktion des Relais entspricht der eines normalen Schalters. Das Relais benötigt hier eine Betriebsspannung von 12V. An einer Seite des Relais liegen 0V an. Befindet sich der Drehschalter oben im Rechtsanschlag, wird die Verbindung mit +12V hergestellt. Das Relais schaltet ein PAD aus Widerständen in den Signalweg, so dass der Preamp auch mit Line-Signalen betrieben werden kann.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Beschaltung des Relais mit einer Diode (hier D7), wobei die Sperrrichtung der Diode zwischen +12V und 0V liegt. Diese soll Spannungsspitzen vermeiden, die auftreten können, sobald das Relais eingeschaltet wird. Dies ist ein Standart, der bei allen Relais anzuwenden ist.

Verbaut man eine Vielzahl von Relais in Schaltungen, ist deren Stromverbrauch zudem nicht zu unterschätzen. Setzt man beispielsweise ein Omron G5V Relais mit 12V ein, kann man dem Datenblatt des Relais eine Stromaufnahme von rund 13 mA entnehmen. Die Stromaufnahme addiert sich beim Einsatz mehrerer Relais auf. Das Netzteil ist entsprechend zu dimensionieren.

LED's

LED's dienen im Audiobau regelmäßig der Anzeige von Betriebszuständen und der Beleuchtung von VU-Metern o. ä. Entscheidend für den Betrieb einer LED ist deren Durchlassspannung und Stromaufnahme sowie die zum Betrieb bereitstehende Spannung. Aus diesen Ausgangsdaten wird die durch einen Vorwiderstand zu vernichtende Spannung errechnet.

Möchte man beispielsweise eine rote LED mit einer Stromaufnahme von 20mA und einer Durchlassspannung von 1,6V an einer Spannung von 12 V betreiben, so berechnet sich der Vorwiderstand wie folgt: 12V-1,6V= 10,4V zu vernichtende Spannung. 10,4V/0,020A=520R (Ohm). Sofern der Widerstand nicht verfügbar ist, wählt man einfach den nächsthöheren Wert aus. Dieser sei im Beispiel 560R. Damit fließt bei 10,4V zu vernichtender Spannung ein Strom von 18,6 mA. Um herauszufinden, welcher elektrischen Leistung (Watt) der Widerstand standzuhalten hat, multipliziert man U*I=10,4V*0,0186A=193mW. Ein 1/4 Watt-Widerstand sollte insofern ausreichend sein, wer auf Nummer sicher gehen will, wählt einen 1/2W-Widerstand. Hierzu findet man im Internet auch Vorwiderstandsrechner, die das Leben erleichtern.

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